Hochgenaue Drehmomentmessung am Verbrennungsmotor mit Kompensation des Umgebungstemperatureinflusses

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1 News Ausgabe Oktober 2016 Hochgenaue Drehmomentmessung am Verbrennungsmotor mit Kompensation des Umgebungstemperatureinflusses Trotz des Einstiegs in die Elektromobilität steht die Optimierung des Verbrennungsmotors weiterhin im Fokus der Automobilindustrie. Zur Messung von Optimierungsmaßnahmen muss die Messtechnik jedoch nicht nur im Labor sehr genau sein, sondern auch im Betriebszustand bei bis zu +160 C. MANNER Sensortelemetrie bietet hierfür eine Temperaturkompensation, welche hochgenaue Drehmomentmessung bei stark wechselnden Umgebungstemperaturen ermöglicht. Messung am Verbrennungsmotor Zur Optimierung des CO2 Ausstoßes stehen alle Komponenten im Antriebsstrang von Fahrzeugen auf den Prüfstand. Im Fokus steht vor allem der Verbrennungsmotor, der nach wie vor das größte Potenzial aufweist. Für die Optimierung benötigen die Entwicklungsingenieure hochgenaue Messwerkzeuge. Bekanntlich geht der CO2 Ausstoß direkt einher mit dem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors. Allerdings bringen die einzelnen Optimierungsmaßnahmen nur noch kleine Beiträge im Zehntelprozentbereich. Um diese Verbesserungen klar reproduzierbar darstellen zu können, benötigt man eine hochgenaue Messtechnik. Das Drehmoment und die Drehzahl am Motorausgang sind hier die entscheidenden Messgrößen. Während die quasi fehlerfreie Drehzahlmessung heute Stand der Technik ist, ist die hochgenaue Drehmomentmessung nach wie vor eine Herausforderung. Das Drehmoment wird mittels eines Messflansches direkt im drehenden Antriebstrang erfasst. Hierzu wird die mechanische Verformung des Messflansches mittels Dehnungsmessstreifen in eine elektrische Größe umgesetzt. Sowohl der Bauraum als auch die Umgebungstemperatur stellen hierbei Herausforderungen dar. Die elektrische Größe muss entsprechend erfasst, verstärkt und übertragen werden, ohne Unwuchten bzw. einen Aufbau auf dem Messflansch zu generieren. Auch muss das Erfassungssystem hitzebeständig sein. Bewährt ist hierfür der Einsatz eines miniaturisierten telemetrischen Messverstärkersystem (MANNER Sensortelemetrie), welches berührungslos die Daten überträgt.

2 Herausforderung durch die Umgebungstemperatur Ein ganz wesentliches Problem ist die Beeinflussung der Messwerte durch die Umgebungsbeziehungsweise Wellentemperatur. Gerade bei Prüfständen für Verbrennungsmotoren wird der Messflansch über die Abwärme des Motors die Umgebungstemperatur während des Betriebs erheblich aufgeheizt. Durch die Nähe zum Motor kann die Wellentemperatur bis +160 C erreichen. Diese unterschiedlichen Betriebspunkte führen zu unterschiedlichen Temperaturen des Torsionsmesskörpers sowie des Messverstärkers bei den Messungen. Die technologischen Fortschritte im Bereich der Halbleiter und der digitalen Technik erlauben heute den Aufbau von Messverstärkern mit sehr hoher Genauigkeit. In der Gesamtfehlerbetrachtung ist die Abweichung des Messverstärkers um mehr als eine Zehnerpotenz kleiner und damit untergeordnet gegenüber anderen Fehlerquellen. Fehler resultieren in erster Linie aus dem Prozess der DMS-Beklebung. Er wird im Wesentlichen durch die handwerklichen Fähigkeiten (vollsymmetrischer Aufbau, Klebetechnik) und das Prozess-Know-How bestimmt und drückt sich in der Nullpunktpunktdrift aus. Die Hauptfehlerquelle ist das Verhalten des Torsionskörpers selbst. Generell wird zwischen Nullpunktfehler und Messwertfehler unterschieden. Gravierend ist die Temperaturabhängigkeit dieser Fehlertypen. Die typischen Nullpunktfehler über die Messkörpertemperatur sehen entsprechend dem nachfolgenden Diagramm aus. Nullpunktdriften werden heute in der Regel mit einer linearen Regressionskurve korrigiert. Dies ist für einen kleinen Temperaturbereich brauchbar. Technisch wird dies mit der Zuschaltung eines temperaturabhängigen Widerstandes in der DMS- Brücke realisiert (lineares Verhalten). Bei einem größeren Messkörpertemperaturbereich ist diese Methode allerdings nicht ausreichend. Leider zeigt die Nullpunktdrift hier in der Regel nicht lineares Verhalten. Es wird eine nicht-lineare Korrekturmethode benötigt. Das weitaus größere Problem ist jedoch die Messwertabweichung über der Temperatur. Die Elastizitätsänderung des Materials (E-Modul) ändert sich über der Temperatur erheblich. Der E-Modul verändert sich mit ca. 2,4 %/100 C Temperaturunterschied. Dieser Wert ist jedoch keine Konstante. Er variiert sowohl in Abhängigkeit der Temperatur als auch in Abhängigkeit der Materialcharge.

3 Aus obiger Kurve kann man erkennen, dass eine pauschale Kompensation nicht möglich ist. Diese Problematik trifft bei den Fahrzeugdrehmomentmesseinrichtungen aufgrund des großen Umgebungstemperaturbereich (-40 C bis +160 C) im erhöhten Maße zu. Die pauschalisierte Lösung ist heute die Verwendung von speziellen Dehnungsmessstreifen mit integrierter Kompensation. Jedoch ist diese Kompensation pauschalisiert und wirkt nur im Temperaturbereich von +10 C bis +130 C. Durch die Toleranzen der E-Modules des Aufnehmerstahles verbleibt immer noch eine mögliche Messwertabweichung von bis zu 0,4%/10 Celsius innerhalb des genannten Temperaturbereiches. Außerhalb des genannten Temperaturbereiches sind die Messwertabweichungen deutlich grösser. Lösung Die Fa. MANNER Sensortelemetrie GmbH hat eine entsprechende Lösung für diese Problematik entwickelt. Basis ist die Kenntnis der Messkörpertemperatur in jeder Messsituation. Ein zusätzlicher Messkanal erfasst online in Echtzeit die Torsionskörpertemperatur, welche zusammen mit dem Drehmomentkanal zur Auswerteeinheit übertragen wird. In der Auswerteeinheit sind die Korrekturtabellen für die Messwert- und Nullpunktabweichung in Abhängigkeit der Torsionskörpertemperatur hinterlegt. Der Signalprozessor setzt in Echtzeit die Korrekturen am aktuell erfassten Messwert basierend auf den Korrekturtabellen in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur in der Auswerteeinheit um. Damit erhält der Anwender ein fehlerbereinigtes Messsignal mit höchster Genauigkeit bei jeder Umgebungstemperatur. Allerdings müssen die Korrekturtabellen im Rahmen einer erweiterten Kalibrierprozedur (vorab) erstellt werden.

4 Hierfür wird ein Kalibrierstand mit einstellbarer Umgebungstemperatur benötigt, der im nachfolgenden Bild schematisch sowie in Realität abgebildet ist. Es können Prüflingstemperaturen im Bereich von -40 C bis 160 C realisiert werden. Der Messwertaufnehmer wird über den gesamten gewünschten Betriebstemperaturmessbereich bei verschiedenen Umgebungstemperaturen kalibriert. Dabei wird neben der Messwertabweichung auch die Nullpunktabweichung erfasst. Die Prozedur erfolgt in definierten Temperaturschritten. Die entsprechenden Abweichungen pro Temperaturpunkt werden ermittelt. Die Software im Datenerfassungssystem erfasst die Kalibrierdaten bei unterschiedlichen Umweltbedingungen und berechnet die entsprechenden Korrekturtabellen. Anschließend wird diese Tabelle in der Auswerteeinheit hinterlegt. Im Ergebnis ist sowohl die Nullpunktablage als auch die Messwertveränderung über die Temperatur verschwindend gering.

5 Zusammenfassung der Vorteile Die vorgestellte Lösung bietet hochgenaue Messglieder für Reibleistungsmessung in großen Umgebungstemperaturbereichen. Zusammengefasst sind folgende Vorteile zu nennen: Nach der Anwendung der Korrekturparameter weist das resultierende Messglied deutlich verbesserte Genauigkeit in Messwertabweichung und Nullpunktdrift auf. Üblicherweise kann eine Genauigkeit um mehr als den Faktor 10 durch die Korrektur erreicht werden. Das Messglied kann in einem weiten Temperaturbereich mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden (-40 C bis +160 C). Das Messglied ist ideal für Fahrzeugmessaufgaben mit stark wechselnden Temperaturbedingungen Die Technik kann auch für Messwellen basierend auf Serienbauteilen verwendet werden.